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Die
Erfindung betrifft eine Spule zum Einsatz bei einer elektromotorischen
Ventilaktuatorik, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei die
Spule mehrere metallische, elektrisch gegeneinander isolierte Spulenlagen
aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektromotorische
Ventilaktuatorik mit einer derartigen Spule, ein Verfahren zu deren
Herstellung sowie deren Verwendung.
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Der
elektromagnetische Ventiltrieb mit seiner vollvariablen Ventilsteuerung
gehört zu denjenigen Maßnahmen zur Effizienzerhöhung
und Kraftstoffeinsparung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere benzinbetriebenen
Ottomotoren, die den größten Erfolg versprechen.
Im Vergleich zum konventionellen Ventiltrieb mit Nockenwelle ergibt
sich beim elektromagnetischen Ventiltrieb eine Vielzahl zusätzlicher Einstellparameter
wie Laststeuerungsverfahren, Abgasrückführung
und Ventilbetriebsmodus. Dadurch wird nicht nur jedes Ventil einzeln
gesteuert, sondern auch der jeweilige Ventilhub und die Ventilöffnungsdauer
individuell optimiert. Die für Ottomotoren typischen Ladungswechselverluste
werden weitgehend vermieden. Die für eine optimale Verbrennung
benötigte Luftmenge wird über die Ventilöffnungszeit
dosiert. Damit können die Drosselklappe und mit ihr die nicht
unerheblichen Drosselverluste entfallen. Gleichzeitig können
die Ventile früher oder später geöffnet
oder geschlossen werden als es mit einer Nockenwelle möglich
ist, sodass der Motor im jeweils bestmöglichen Arbeitspunkt
betrieben werden kann. Das Abschalten einzelner Zylinder im Teillastbetrieb führt
zu weiteren Treibstoffeinsparungen.
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Die
WO 2007/107218 A1 beschreibt
einen Segmentantrieb, der im Wesentlichen aus den Baugruppen Gehäuseplatte,
Rotor, Außenstator mit Erregerspulen und Innenstator sowie
Ventilankopplung besteht. Der Rotor trägt mehrere Permanentmagnete und
verfügt über eine exzentrische Lagerbuchse, an welcher
das Pleuel des Ventils angekoppelt ist. Der Erregerkreis besteht
aus mehreren Jochzähnen, welche mit Spulen bestückt
und im Gehäuse fixiert sind. Der Magnetkreis wird über
den Rotor mit beidseitigem Luftspalt und dem Innenjoch geschlossen.
Die Schwenkbewegung des Rotors wird über eine geeignete
Ventilankopplung, welche vorzugsweise mit Walzlagern in der Lagerbuchse
bestückt ist, in eine translatorische Bewegung des Ventils übertragen. Das
Ventil weist dabei neben dem Ventilfuß vorzugsweise einen
biegeweichen Schaft auf, welcher den durch die Drehbewegung entstehenden
relativen Versatz der Lagerbuchse zur Ventilachse elastisch kompensiert.
Der Wirkungsgrad kann durch einen Kupferfüllfaktor verbessert
werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass jeder Zahn des Jochs
je eine Erregerspule trägt. Die Erregerspulen sind vorteilhaft
aus Backlackdraht in einer Stufenwicklung ausgeführt, sodass
der Wickelraum optimal ausgefüllt ist. Denkbar ist auch
eine Wicklung mit Hexacoils, die einen guten Füllfaktor
ermöglichen.
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In
der
EP 1 144 813 A1 ist
ein Drehmotor, der prinzipiell für die Betätigung
von Gaswechselventilen geeignet ist, dargestellt. Beim Rotoraufbau
wird davon ausgegangen, dass Permanentmagnete in den Rotor eingebettet
sind und der magnetische Rückschluss über den
Rotor erfolgt. Dies entspricht dem Aufbau von Synchronmaschinen.
Mit diesem Wirkprinzip ist die genaue und stufenlose Regelung von Ventilen
möglich.
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In
der
WO 2005/071817
A1 ist ein Segmentmotoraufbau beschrieben, der einen feststehenden Außen-
und Innenstator und einen mit Permanentmagneten bestückten,
schwenkbar gelagerten Rotor besitzt. Durch die Entkoppelung des
Rückschlusses des Magnetkreises vom Rotor kann die Trägheitsmasse
des Antriebs deutlich reduziert werden, ohne dass sich die magnetische
Effizienz verschlechtert. Dadurch kann eine entsprechende Dynamik
erreicht werden, die für die Betätigung von Gaswechselventilen
gefordert ist.
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Aus
der
WO 2007/004483
A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer laminierten
Spule bekannt, die in einer Spule oder in einem Transformator eingesetzt
wird. Eine Flachbahn wird durch Umlenkung geformt, wobei jede Schicht,
ausgenommen der Verbindungsstelle, mit einem isolierenden Material
beschichtet ist. Die Schichten werden so zusammengesetzt, dass die
Verbindungsstellen einander gegenüberliegen. Auf diese
Weise wird ein treppenartiger Aufbau realisiert.
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Die
GB 2 408 389 A betrifft
eine Wicklung für einen Transformator. Die Wicklung umfasst
eine Mehrzahl von metallischen Spulenlagen rechteckiger Form derselben
Größe. Jede der mit einer isolierenden Schicht
ausgestatteten Lagen hat einen Schlitz in einer der vier Seiten,
die eine zentrale Aussparung einschließen. Die Seiten,
welche die Schlitze aufweisen, sind auf der gleichen Seite des Transformators vorgesehen,
wobei die Positionen der Schlitze versetzt zueinander angeordnet
sind. Auf den überlappenden Bereichen der Lagen sind Anschlüsse
vorgesehen. Die Positionen der Schlitze sind so gewählt, dass
die Spulenlagen gestapelt werden können.
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Die
US 2008/0038562 A1 offenbart
einen Schichtaufbau einer Spule, in dem Spulenleiterzuschnitte und
keramische Schichten überlagert sind. Die elektrische Kontaktierung der
Spulenleiterzuschnitte erfolgt im Überlappungsbereich mittels Durchgangslöchern.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, den
Wirkungsgrad einer vorgenannten Spule sowie einer damit ausgestatteten Ventilaktuatorik
zu verbessern. Weiterhin soll ein zur Herstellung derartiger Spulen
bestimmtes, verbessertes Verfahren geschaffen werden.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Spule gemäß den
Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen
besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist
also eine Spule zum Einsatz bei einer elektromotorischen Ventilaktuatorik, insbesondere
als elektrischer Ventilsteller einer Brennkraftmaschine, insbesondere
eines Otto- oder Dieselmotors, vorgesehen, wobei die Spule mehrere metallische,
elektrisch gegeneinander isolierte Spulenlagen aufweist, bei der
jede Spulenlage aus einem separaten ringförmigen Formteil
als Blechzuschnitt mit einer elektrischen Trennstelle besteht, wobei elektrisch
nicht isolierte, einander überlappende Bereiche jeder Spulenlage
als Kontaktzone zur elektrischen Kontaktierung von zwei benachbarten
Spulenlagen ausgeführt sind, wobei die überlappenden
Bereiche aufeinander folgender Spulenlagen jeweils einen Versatz
aufweisen. Hierdurch wird eine auch als eine Formspule bezeichnete
Spule geschaffen, bei welcher die Windungen nicht durch Wickeln
eines Drahtes realisiert sind, sondern durch einzelne, flache Formteile,
insbesondere als Blechzuschnitte. Hierdurch ergeben sich zwei grundsätzliche
Vorteile. Zum einen wird ein höherer Füllfaktor,
in der Praxis also Kupferfüllfaktor, und damit ein niedriger
Widerstand der Spule erreicht. Zum anderen führt dies wiederum
zu niedrigeren Verlustleistungen in der Spule und damit auch zu
einer geringeren Wärmeentwicklung und einem geringeren
Kühlbedarf. Dabei ergibt sich die eigentliche Spule durch
die erfindungsgemäße Kontaktierung der Spulenlagen.
Hierzu weisen die einzelnen Spulenlagen jeweils eine Unterbrechung auf,
die von einer Spulenlage zur nächsten in ihrer Position
versetzt ist, sodass sich im Gesamtaufbau der Spule in der Seitenansicht
ein treppenförmiger Verlauf der Trennstellen und der überlappenden
Bereiche ergibt.
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Hierbei
erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Länge
des überlappenden Bereichs im Wesentlichen der Breite der
Spulenlage in dem überlappenden Bereich entspricht. Durch
diesen treppenförmigen Verlauf ergibt sich in einfacher
Weise die Möglichkeit, eine großflächige
Kontaktierung zwischen den Spulenlagen zu realisieren und damit
den elektrischen Widerstand auf ein Minimum zu reduzieren.
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Die
Kontaktierung kann mit Hilfe unterschiedlicher, aus dem Stand der
Technik an sich bekannter Verfahren gelöst werden. Besonders
praxisgerecht ist es hingegen, wenn die Kontaktzone zur elektrischen
Kontaktierung von zwei benachbarten Spulenlagen eine Lötverbindung
oder eine Schweißverbindung aufweist, wobei bevorzugt die
Verbindung im Bereich der inneren oder äußeren
Kante erfolgt.
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Eine
andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Abwandlung wird
dadurch erreicht, dass die in elektrischer Flussrichtung letzte
Spulenlage mit einem gegenüber diesem verkürzten
Formteil verbunden ist, dessen Länge zumindest der Summe
der Länge der überlappenden Bereiche entspricht.
Hierdurch kann die aufgrund der treppenförmigen überlappenden
Bereiche eintretende Reduzierung der Spulenlänge, in der
Praxis beispielsweise eine halbe Windung, in entsprechender und
zugleich einfach zu realisierender Weise ausgeglichen werden.
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Eine
besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung
wird auch dann erreicht, wenn das Formteil als ein elektrisches
Verbindungselement für zwei Spulen und/oder Magnetkreise
ausgeführt ist oder mittels des zwei Magnetkreise verbindenden Verbindungselements
eine Kontaktierung derart erfolgt, dass dadurch einerseits ein Ausgleich
der Summe der Länge der überlappenden Bereiche
erreicht wird und das Magnetfeld der benachbarten Magnetkreise gleichsinnig
ist. Bei der Anwendung in einem U-Magneten wird jeder Schenkel des
Magneten mit der Spule in der vorstehend beschriebenen Weise ausgerüstet.
Die elektrische Verbindung der beiden Spulen ergibt sich durch das
Verbindungselement als eine gemeinsame Lage im Bereich der Zahnfüße.
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Dabei
sind die benachbarten Spulenlagen der verschiedenen Jochschenkel
als Gleichteile ausgeführt, die vorzugsweise in einer gedrehten
oder spiegelbildlichen Position angeordnet werden, sodass die Kontaktierung
jeweils außen liegt und sonst bei der Herstellung problemlos
zugänglich ist.
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Bei
der Anwendung der Spule in Verbindung mit einem U-Magneten stimmen
die äußeren Abmessungen der verschiedenen Spulenlagen
grundsätzlich überein, sodass sich die Spulenlagen
im Wesentlichen hinsichtlich der Trennstelle unterscheiden. Besonders
bei zueinander geneigten Schenkeln des Magnetjochs wird eine besonders
Erfolg versprechende Weiterbildung der Erfindung dadurch realisiert,
dass die Spulenlagen aus unterschiedlichen Formteilen ausgeführt
sind. Hierdurch wird eine optimale Anpassung der Spulenlagen an
den auch als Wickelraum bezeichneten Freiraum zwischen den Schenkeln
ermöglicht, um so einen optimalen Füllfaktor zu
erzielen. Dieser Füllfaktor wird einerseits dadurch erreicht,
dass die Spulenlagen in Abhängigkeit der Spulenlage unterschiedliche äußere
Abmessungen aufweisen, andererseits aber auch durch einen wechselseitigen
schichtweisen Aufbau der benachbarten Spulen, sodass im Vergleich
zu Fertigspulen die optimale Geometrie nicht durch Beschränkung
bei den Montagemöglichkeiten begrenzt wird, wobei es im
Hinblick auf die Fertigungskosten von Vorteil ist, wenn die Formteile
benachbarter Spulenlagen verschiedener Spulen übereinstimmen.
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Eine
andere, ebenfalls besonders sinnvolle Ausgestaltung der Erfindung
ist auch dann erreicht, wenn zumindest eine Spulenlage einen abschnittsweise
unterschiedlichen Querschnitt aufweist. Der Querschnittsverlauf
innerhalb einer Spulenlage ist dadurch im Hinblick auf einen optimalen
Füllfaktor individuell bestimmt. Insbesondere können
die Wickelköpfe schmal gehalten werden, wodurch sich eine größere
wirksame Maschinenlänge und damit eine größere
Kraft- oder Drehmomentausbeute ergibt.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform liegt in der gezielten
Verbindung der Spulen in einer Reihenschaltung mehrerer Magnetjoche.
Hierbei wird die Kontaktierung zwischen den Magnetjochen so gewählt,
dass der Verlust aufgrund der überlappenden Bereiche durch
ein Zwischenelement als halbe Windung ausgeglichen wird und das
Magnetfeld in beiden Magnetkreisen gleichsinnig ist.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer elektromotorischen
Ventilaktuatorik mit einer Spule, die mehrere metallische, elektrisch gegeneinander
isolierte Spulenlagen aufweist, indem jede Spulenlage aus einem
ringförmigen, an einer Trennstelle unterbrochenen Formteil
als Blechzuschnitt besteht, wobei elektrisch nicht isolierte, einander überlappende
Bereiche jeder Spulenlage als Kontaktzone zur elektrischen Kontaktierung
von zwei benachbarten Spulenlagen ausgeführt sind und die überlappenden
Bereiche aufeinanderfolgender Spulenlagen jeweils einen Versatz
aufweisen. Durch den Versatz wird ein elektrischer Stromfluss durch
jede Spulenlage sichergestellt, sodass insbesondere ein Kurzschluss
mehrerer Spulenlagen vermieden wird. Hierdurch wird ein optimaler
Füllfaktor der in der Praxis als wesentlichen Materialbestandteil
Kupfer aufweisenden Spule und damit ein niedriger elektrischer Widerstand
erreicht.
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Der
optimale Füllfaktor wird durch einen wechselseitigen, lagenweisen
Aufbau der benachbarten Spulen erreicht, um so im Vergleich zu Fertigspulen
die Montage insbesondere bei solchen Geometrien zu vereinfachen,
bei denen die Spulenlagen entsprechend der Gestaltung eines Magnetjochs
zwischen nicht parallelen Schenkeln angeordnet werden.
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Zu
diesem Zweck erweist sich erfindungsgemäß ein
Verfahren als besonders vielversprechend, bei dem zur elektrischen
Isolierung der Spulenlagen einer Spule, die jeweils aus einem separaten
Formteil als Blechzuschnitt mit einer elektrischen Trennstelle bestehen,
zunächst die Spulenlagen in einem einander überlappenden
Bereich elektrisch kontaktiert werden und anschließend
eine elektrische Isolierung auf die einzelnen Spulenlagen aufgebracht
wird. Hierdurch können die Spulenlagen der verschiedenen
Spulen abwechselnd in ihrer vorbestimmten Position angeordnet werden,
wobei zugleich die elektrische Kontaktierung aufeinander folgender
Spulenlagen erfolgt. Im Anschluss erfolgt dann die elektrische Isolierung
der aufeinanderfolgenden Spulenlagen mit Ausnahme der überlappenden
Bereiche. Hierbei kann die Isolierung durch Lackieren, Tauchen oder
im Spritzverfahren aufgebracht werden. Selbstverständlich
können die einzelnen Spulenlagen alternativ auch bereits
eine Isolierung aufweisen, die nur an den Kontaktierungsstellen
entfernt wird.
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Eine
andere ebenfalls besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahren
wird dadurch erreicht, dass die Spulenlagen durch Abstandshalter
zwischen den Spulenlagen voneinander getrennt werden und anschließend
die Isolierung durch Vergießen der Spule erzeugt wird,
wobei zugleich die Kapillarwirkung zwischen den Spulenlagen zur
zuverlässigen Füllung der Zwischenräume
der Spulenlagen genutzt wird.
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Eine
besonders vorteilhafte Verwendung einer erfindungsgemäßen
Spule ist in einer Ventilaktuatorik einer Brennkraftmaschine gegeben,
deren dem Gaswechsel dienende Gaswechselventile mittels der elektromotorisch
angetriebenen Ventilaktuatorik betätigbar sind.
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Die
Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu.
Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in
der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in
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1 eine
Prinzipdarstellung des Spulenaufbaus;
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2 eine
Spule in einer Seitenansicht;
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3 den
Aufbau einer Spule auf einem Magnetjoch während der Herstellung;
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4 den
fertigen Aufbau der in 3 gezeigten Spule auf dem Magnetjoch.
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In
den 1 und 2 ist das Grundprinzip des erfindungsgemäßen
Spulenaufbaus dargestellt, der eine Mehrzahl unterschiedlicher,
elektrisch gegeneinander isolierte Spulenlagen 1, 1', 1'' aufweist. Jede
Spulenlage 1, 1', 1'' besteht aus einem
separaten ringförmigen Formteil mit einer elektrischen Trennstelle 2, 2', 2'',
wobei elektrisch nicht isolierte, einander überlappende
Bereiche 3, 3', 3'' jeder Spulenlage 1, 1', 1'' als
quadratische Kontaktzone zur elektrischen Kontaktierung von zwei
benachbarten Spulenlagen 1, 1', 1'' ausgeführt
sind. Um einen Kurzschluss der aufeinander folgenden Spulenlagen 1, 1', 1'' zwischen
einem Stromeintritt 4 und einem Stromaustritt 5 zu
vermeiden, weisen die überlappenden Bereiche 3, 3', 3'' aufeinanderfolgender
Spulenlagen 1, 1', 1'' jeweils einen
Versatz auf. Im Gegensatz zu einer konventionellen Drahtwicklung
wird dadurch eine Formgebung der Spulenlagen 1, 1', 1'' realisierbar,
die einen abschnittsweise unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.
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In
der 3 und 4 wird der Aufbau von zwei Spulen 6, 7 auf
einem Magnetjoch 8 einerseits während der Herstellung,
andererseits nach der Fertigstellung gezeigt. Wie zu erkennen sind
dabei die hinsichtlich ihrer äußeren Abmessungen
differierenden Spulenlagen 9, 10, 11, 12 entsprechend
der Gestaltung des Magnetjochs 8 mit nicht parallelen Schenkeln 13, 14 derart
geformt, dass der Füllfaktor zwischen den Schenkeln 13, 14 des
Magnetjochs 8 optimiert ist. Die Formteile der benachbarten
Spulenlagen 9, 10, 11, 12 der
benachbarten Spulen 6, 7 sind dabei als Gleichteile
ausgeführt und werden in einer wechselseitigen Montage
in ihre jeweilige Position gebracht. Die in elektrischer Flussrichtung
letzte Spulenlage 12 der Spulen 6, 7 im
Bereich der Zahnfüße ist mit einem Formteil 15 verbunden
ist, dessen Länge zum Ausgleich der in den in 2 gezeigten Überlappungsbereichen
entstehenden Längenverluste zumindest der Summe der Länge
der überlappenden Bereiche entspricht. Auf diese Weise
lässt sich neben einem verbesserten Füllfaktor
auch ein partiell abweichender Querschnittsverlauf realisieren,
um so die Geometrie und den Wirkungsgrad zu optimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/107218
A1 [0003]
- - EP 1144813 A1 [0004]
- - WO 2005/071817 A1 [0005]
- - WO 2007/004483 A1 [0006]
- - GB 2408389 A [0007]
- - US 2008/0038562 A1 [0008]